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5G通信使用的3GPP全球頻譜究竟是什么?

2020-06-03
來源:與非網
關鍵詞: 5G3GPP 5G通信 MIMO 頻譜

今天,我們將帶大家認識一下 5G 3GPP 全球頻譜。所謂“頻譜”,是指特定類型的無線通信所在的射頻范圍。不同的無線技術使用不同的頻譜,因此互不干擾。由于一項技術的頻譜是有限的,因此頻譜空間存在大量競爭,并且人們也在不斷開發和增強全新的、高效率的頻譜使用方式。本章將介紹 5G 通信使用的第 3 代合作伙伴計劃組織(3GPP)全球頻譜。

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介紹 5G 3GPP 全球頻譜
頻帶的帶寬越多,接收數據的量越大、速度越快。帶寬越多,下載大文件的用時越少。因此,移動網絡運營商和監管機構正在盡一切可能,重構、獲取或共享頻譜資源。

 

所謂“頻譜重構”,是一種將一個現有應用所使用的頻譜轉移到新應用的方法(例如:2010 年,移動網絡運營商將 2G 應用使用的頻譜直接轉移到 4G LTE 應用)。

 

在釋放頻譜資源上,盡管監管機構已有長足進步,但仍需采取其他措施。為適應 5G 通信的眾多用例和性能需求,必須在所有頻率范圍都提供頻譜資源。另外,承運商為支持 5G 需要增加容量,由于帶寬是提高數據率的關鍵,因此運營商必須取得更多寬帶。

 

3GPP 為全球各個地區分配國際移動電信(IMT)頻帶。在第 1 章已經說明,3GPP 是一個由移動系統制造商組成的集體性項目合作伙伴組織。過去幾年,3GPP 通過重構和清理數字電視等現有服務,穩步增加新的時分雙工(TDD)和頻分雙工(FDD)3G 和 4G 頻帶。

 

甚至在 5G 到來之前,4G LTE 就已在許多方面完善了頻譜效率。隨著高位調制技術的進步,例如:64 和 256 正交波幅調制技術(QAM),以及多入多出(MIMO)和波束賦形技術的推出,每秒峰值數據率被推升至 2 吉比特。另外,LTE 載波聚合技術也為移動網絡運營商新增一個提高帶寬的選項,即:將多個 20 MHz 帶寬的頻率載波合并,提供最高 140 MHz 可用頻譜。在美國,當非特許 LAA 和 CBRS 頻譜與 7 分量載波 CC)聚合時,可實現 140 MHz 的聚合帶寬。5G 更進一步,允許進一步加大分量載波帶寬。在 7 GHz 以下的 FR1 頻段,能夠實現 100 MHz 帶寬;對于 FR2 頻段毫米波,則可實現 400 MHz 的帶寬。如果個體移動網絡運營商擁有足夠的頻譜許可證,5G 在 FR2 頻段能夠聚合達到 800MHz 的帶寬。

 

5G 頻譜目前劃分為兩個頻段:


7 GHz 以下頻段(FR1)


毫米波頻段(FR2)

 

圖 3-1 所示為世界各國被分配的 7 GHz 以下頻譜。

 

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圖 3-1:全球 5G 7 GHz 以下頻帶使用情況。

 

在 6 GHz 以上,更容易在毫米波頻帶找到 100 MHz 或以上的連續帶寬。這種帶寬通常集中在 24 GHz、28 GHz、39 GHz 直至 80 GHz,5G 允許的 FR2 信道帶寬最高可達 400 MHz。

 

圖 3-2 所示為全球現有毫米波頻帶的可用情況。雖然 6 GHz 以上的頻譜資源更多,但這些頻率的傳播條件更為復雜,往往需要基站與設備之間滿足視距條件。另外,毫米波還需要高度方向性波束賦形和大規模 MIMO 天線,以便實時跟蹤用戶。

 

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圖 3-2:全球 5G 毫米波頻帶使用情況。

 

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認識頻譜
5G 的部署將是在當前頻譜資產基礎上的演進。根據頻帶的不同,技術性能也不同。對某些用例而言,有些頻帶會比其他頻帶更適合。您可以主要通過兩種方式來考慮 5G:頻帶的分配和頻帶的特許(無論是非特許頻帶、特許頻帶,還是共享頻帶)。

 

(一)5G 頻帶

5G 頻帶分為三個明確類別:

 

低頻:410 MHz 至 1 GHz。


? 容量有限,但覆蓋面積大,室內穿透率強。


? 峰值數據率最高約為 200 Mbps。

 

中頻:1 GHz 至 7 GHz。


? 適合城鎮部署,增加容量。


? 峰值數據率最高約為 2 Gbps。

 

高頻:24 GHz 至 100 GHz(毫米波)。


? 覆蓋面積有限,但可能達到極高容量。


? 峰值數據率最高約為 10 Gbps。

 

隨著運營商和原始設備制造商不斷完善毫米波技術,7 GHz 以下頻率技術將在不久的將來成為首選 5G 網絡技術。7 GHz 以下頻率技術能夠長距離遞送高數據率,因此不僅適合農村地區,也適合城鎮地區(圖 3-3)。

 

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圖 3-3:LTE-Advanced Pro 與 5G NR 生態系統。

 

毫米波等高頻率頻帶最適合增強型移動寬帶(eMBB)所需的短距離、低延時、超高容量傳輸。不過,我們在上文提到,這些高頻率頻帶傳輸距離短,更容易因為天氣或物體原因而產生信號損耗,并且室內穿透率有限。這種毫米波蜂窩站網絡設計就像 4G 的小型蜂窩,因為二者擁有相似的頻率范圍和覆蓋率。

 

中頻頻譜平衡了多項能力,在城鎮和郊區環境下能夠補充毫米波。中頻頻譜的傳輸距離更遠、傳播特性更好,因此除了人口稠密地區,中頻頻譜還能在其他地區提供 5G。另外,中頻部署還有一個優勢:運營商能夠將中頻能力添加到現有的 4G 蜂窩站區域,從而減少了在建筑物頂部或周邊購買或租用空間產生的額外支出。

 

2 GHz 以下的低頻提供優秀的覆蓋率和移動性。對于低頻用戶,可以使用載波聚合技術擴大帶寬。低頻非常適合互動通信和大規模機器類通信(mMTC)。低頻頻譜也很適合室內穿透。

 

(二)頻譜特許

下面,我們來看以下三種頻譜分配方法:

 

非特許頻譜:LTE-U、LAA、eLAA、Wi-Fi、藍牙、C-V2X、DSRC、CBRS


特許頻譜:拍賣的已清理頻譜


共享頻譜:需要授權才能共享接入的頻譜

 

可用的非特許頻譜數量很大,遠超特許頻譜。目前,非特許頻譜主要被用于 Wi-Fi、點對點通信、傳送或回傳、讀表及自動化。另外,國際上的非特許頻譜還被預留給工業、科學和醫療應用。全世界的特許頻譜都由原產國進行管理和管制;例如,美國聯邦通信委員會(FCC)管理著美國的頻譜。

 

非特許頻譜的頻帶通常是共享頻帶。但是,為確保共享秩序,非特許頻譜的使用存在一定限制。所有非特許頻譜的用戶都必須遵守相關規范,這些規范限制了允許的傳輸功率、輻射方向圖、工作周期及接入程序,并確保在服務全體用戶的同時減少干擾。共享 5 GHz 非特許頻帶的 LAA 和 Wi-Fi 就是其中一個例子。

 

(三)動態頻譜共享

頻譜共享是向 5G SA 遷移過程中的一個重要組成部分。動態頻譜共享技術是促使移動網絡運營商快速啟用 5G 的“催化劑”。有了動態頻譜共享技術,承運商能夠在當前 4G LTE 使用的頻帶內啟用 5G。動態頻譜技術讓現有的 LTE 運營商能夠同時運營 5G NR 和 LTE。有了動態頻譜共享技術,運營商不必為 4G LTE 或 5G 分割頻譜,而是可以在這兩種技術之間共享頻譜。這讓運營商能夠智能化地、靈活地、快速地在現有 4G 網絡范圍內推出和增加 5G。動態頻譜共享技術讓 5G 和 4G LTE 能夠同時在同一頻帶運行,它是一項改變游戲規則的技術。


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